GSM jako sieć modułowa
GSM rozdziela funkcje dostępu radiowego od komutacji, danych abonentów i zarządzania siecią. Taki podział przypisuje każdej części określoną odpowiedzialność i umożliwia roaming między sieciami zgodnymi z tym samym modelem odniesienia. Urządzenie fizyczne może łączyć kilka funkcji, ale logiczne elementy i interfejsy pozostają przydatne podczas analizy połączenia. Ten sam model pozwalał operatorowi rozwijać stacje radiowe, centrale i bazy danych w różnych cyklach sprzętowych.
W ujęciu funkcjonalnym sieć dzieli się na trzy obszary:
- Podsystem Stacji Bazowych (BSS): Część dostępu radiowego. Zawiera BTS i BSC oraz zapewnia drogę radiową między stacją ruchomą a siecią rdzeniową.
- Podsystem Sieciowy i Komutacyjny (NSS): Rdzeń komutacji łączy. Obsługuje sterowanie połączeniami, mobilność, współpracę z innymi sieciami, dane abonentów i funkcje bezpieczeństwa.
- Podsystem Operacyjny i Wsparcia (OSS): Warstwa konfiguracji, alarmów, pomiarów wydajności i utrzymania elementów sieci.
Ogólny model odniesienia GSM
łączy się z BSS przez radiowy interfejs Um. W BSS wyposażenie radiowe BTS łączy się z BSC przez interfejs Abis. BSS udostępnia dostęp do MSC przez interfejs A. Um przenosi kanały radiowe, Abis przenosi ruch między BTS i BSC, a A przenosi ruch i sygnalizację między BSS i MSC. MSC kieruje połączenia do innego abonenta ruchomego albo do sieci zewnętrznej, na przykład PSTN. HLR, VLR, AuC i EIR wymieniają z warstwą komutacyjną sygnalizację, a OSS nadzoruje eksploatację i utrzymanie.
Część 1: Podsystem Stacji Bazowych (BSS)
BSS steruje zasobami radiowymi określonego obszaru i przenosi ruch oraz sygnalizację do MSC. W klasycznym modelu GSM BSS zawiera jeden BSC i jedną lub większą liczbę stacji BTS. MS jest punktem końcowym obsługiwanym przez BSS i pozostaje poza tym podsystemem.
MS składa się z urządzenia mobilnego ME i modułu identyfikacji abonenta SIM. ME ma identyfikator urządzenia, czyli . SIM przechowuje tożsamość abonenta, czyli , oraz tajne dane uwierzytelniające abonenta. Publiczny numer katalogowy, czyli , należy do danych subskrypcji utrzymywanych przez operatora. Karta SIM może przechowywać powiązane dane usługowe, ale MSISDN nie jest identyfikatorem fizycznego aparatu.
- Urządzenie mobilne (ME): Sprzęt radiowy i telefoniczny ma własny identyfikator IMEI, zwykle przedstawiany jako numer 15-cyfrowy.
- Moduł SIM: Karta przechowuje IMSI oraz materiał tajny używany w uwierzytelnianiu. Przeniesienie SIM zmienia tożsamość subskrypcji używaną przez sieć.
BTS obsługuje jedną albo określony sektor komórki. Zawiera nadajniki, odbiorniki i anteny, które wysyłają oraz odbierają serie GSM, realizują modulację i demodulację radiową oraz stosują parametry radiowe zadane przez BSC. Po procedurze trybu szyfrowania uczestniczy także w szyfrowaniu łącza radiowego. Ruch i sygnalizacja są przekazywane do BSC przez Abis.
- Nadawanie i odbiór serii radiowych z MS.
- Modulacja i demodulacja sygnału radiowego.
- Obsługa parametrów kanału i szyfrowania po poleceniu sieci.
- Przekazywanie ruchu i sygnalizacji do BSC przez Abis.
BSC steruje jedną lub większą liczbą BTS. Zarządza kanałami i szczelinami czasowymi, pomiarami radiowymi, poleceniami kontroli mocy, parametrami związanymi z czasem oraz wieloma wewnątrz BSS. Początkowy dostęp losowy i komunikat Immediate Assignment obsługuje sam BSS. Gdy rozmowa wymaga kanału ruchowego, MSC wysyła przez BSSMAP interfejsem A komunikat ASSIGNMENT REQUEST, po czym BSS wybiera i ustanawia zasób radiowy.
- Kanały: Przydziela i zwalnia częstotliwości oraz szczeliny czasowe.
- Pomiary: Zbiera raporty poziomu i jakości oraz steruje mocą nadajnika.
- Mobilność: Koordynuje handovery wewnątrz BSS i przygotowuje zasoby dla MSC.
Granice są więc jednoznaczne. Um łączy MS z BSS, Abis łączy BSC z BTS, a A łączy BSS z MSC. Każdy z tych interfejsów przenosi inną warstwę informacji radiowej, dostępowej lub związanej ze sterowaniem połączeniem.
Część 2: Podsystem Sieciowy i Komutacyjny (NSS)
NSS zapewnia rdzeń komutacji łączy oraz bazy danych potrzebne do obsługi mobilności. MSC jest elementem komutacyjnym widocznym dla BSS. Rejestry i funkcje bezpieczeństwa dostarczają danych abonenta i urządzenia wymaganych podczas zestawiania połączenia, aktualizacji położenia i roamingu. Wymiana tych danych odbywa się przez sygnalizację MAP oraz logiczne interfejsy rejestrów, podczas gdy tor rozmówny jest zestawiany przez MSC.
MSC realizuje sterowanie połączeniami, procedury mobilności, przetwarzanie związane z rozliczeniami oraz współpracę z sieciami zewnętrznymi. Obsługuje połączenie przez interfejs A do BSS i może koordynować handover między obszarami BSS. Gateway MSC, czyli GMSC, jest funkcją MSC używaną jako punkt wejścia dla połączeń przychodzących z sieci zewnętrznej. Odpyta HLR i skieruje połączenie do obsługującej centrali MSC.
HLR jest stałą bazą danych subskrypcji w sieci macierzystej. Przechowuje IMSI, MSISDN, listę usług oraz adres VLR obsługującego daną subskrypcję. Otrzymuje lub utrzymuje dane uwierzytelniające dostarczane przez AuC. Podczas połączenia przychodzącego HLR udostępnia dane routingu na podstawie obsługującego VLR i tymczasowego numeru MSRN.
- IMSI i MSISDN subskrypcji.
- Usługi dozwolone dla abonenta, na przykład przekierowania i połączenia międzynarodowe.
- Dane uwierzytelniające przekazane przez AuC.
- Adres VLR potrzebny do kierowania połączeń przychodzących.
VLR jest tymczasową bazą lokalizacji i usług powiązaną z jedną lub kilkoma centralami MSC. Przechowuje dane potrzebne do obsługi abonentów znajdujących się na jego obszarze, w tym identyfikator tymczasowy i parametry uwierzytelniania. VLR wymienia z HLR informacje o położeniu i subskrypcji, dzięki czemu lokalne połączenie nie wymaga pełnej transakcji z HLR.
AuC chroni długoterminowy tajny klucz abonenta, , i generuje dane uwierzytelniające dla sieci. W uwierzytelnianiu GSM sieć wysyła do SIM wyzwanie, takie jak RAND. SIM oblicza odpowiedź, a AuC wcześniej oblicza oczekiwaną wartość z użyciem tego samego . Zgodność odpowiedzi uwierzytelnia subskrypcję. Klucz pozostaje w SIM i AuC, nie jest wysyłany interfejsem radiowym.
EIR przechowuje identyfikatory urządzeń, takie jak wartości IMEI. MSC może odpytać EIR po uzyskaniu identyfikatora od MS. Operator może używać oddzielnych list białej, szarej i czarnej do odpowiednio dopuszczania, obserwowania i blokowania urządzeń. Szczegółowa polityka należy do operatora, a interfejs EIR dostarcza kontroli statusu urządzenia.
- Biała lista: Urządzenia dopuszczone do pracy.
- Szara lista: Urządzenia obserwowane przez operatora.
- Czarna lista: Urządzenia zablokowane, na przykład zgłoszone jako skradzione.
GSM definiuje kilka logicznych interfejsów NSS. B łączy MSC z własnym VLR, C łączy GMSC lub MSC z HLR, a D łączy HLR z VLR. E łączy centrale MSC na potrzeby procedur międzycentralowych, F łączy MSC z EIR, G łączy rejestry VLR, a H łączy HLR z AuC. Operacje abonenta i mobilności przenosi zwykle sygnalizacja MAP w sieci sygnalizacyjnej GSM. Przykładowo połączenie przychodzące korzysta z HLR i VLR do ustalenia MSC, a następnie z BSS do przywołania MS.
Część 3: Podsystem Operacyjny i Wsparcia (OSS)
OSS jest warstwą operacyjną otaczającą sieć usługową. Konfiguruje elementy sieci, zbiera alarmy i pomiary wydajności, wspiera diagnostykę oraz koordynuje utrzymanie. Może także wspierać aktywację abonentów i usług przez systemy operatorskie. Zakres ten opisuje się jako operacje, administrację, utrzymanie i provisioning. OSS nadzoruje ścieżkę połączenia, ale nie jest elementem przekazującym dane użytkownika.
- Operacje: Obsługa alarmów i nadzór nad stanem sieci.
- Administracja: Konfiguracja zasobów sieciowych i parametrów usług.
- Utrzymanie: Diagnostyka, zarządzanie oprogramowaniem i przywracanie działania.
- Provisioning: Aktywacja abonentów, usług i urządzeń sieciowych.
Znaczenie podziału funkcji
Architektura GSM przypisuje zasoby radiowe do BSS, sterowanie połączeniami i mobilnością do NSS, a eksploatację do OSS. Jawne interfejsy pozwalają prześledzić drogę sygnału od MS przez Um, Abis i A do MSC, natomiast MAP oraz pozostałe interfejsy NSS przenoszą dane abonenta i routingu. Model odniesienia ułatwił interoperacyjność urządzeń, roaming i późniejszy rozwój poszczególnych funkcji sieci. Granice pomagają także wskazać, czy problem dotyczy radia, komutacji, bazy danych, czy systemu utrzymania.
Podczas połączenia wychodzącego MS korzysta z Um, BTS i BSC przekazują żądanie przez Abis i A, a MSC wybiera trasę oraz zasób rozmówny. Sygnalizacja NSS pobiera dane potrzebne do uwierzytelnienia i routingu. Przy połączeniu przychodzącym GMSC odpyta HLR, VLR przydzieli MSRN, a obsługujący MSC zleci BSS przywołanie MS.